一種可形變物體的高真實感動畫合成方法
【專利摘要】本發明公開了一種可形變物體的高真實感動畫合成方法，該方法包括：基于掃描設備重建可形變物體的精確三維網格模型；從該三維網格模型中提取若干用于驅動該可形變物體發生形變的網格點作為控制點，并將若干控制點的真實位移作為輸入，獲得形變后的若干控制點的位置；根據控制點形變后的位置，并將該可形變物體體積不變作為約束條件，通過最小化形變能量函數，計算得到該三維網格模型中其余網格點形變后的位置，從而獲得該可形變物體的高真實感動畫。通過采用本發明公開的方法，簡化了工作過程，且可合成較高真實度的可形變物體的動畫。
【專利說明】一種可形變物體的高真實感動畫合成方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及計算機動畫領域，尤其涉及一種可形變物體的高真實感動畫合成方法。
【背景技術】
[0002]合成可形變物體的高真實感動畫在影視制作、電腦游戲、可視語音合成、人臉動畫、多模態人機交互等領域有著廣泛的應用前景。
[0003]所述可形變物體主要包括:舌頭、人臉、肌肉與人體軀干等。
[0004]以舌頭為例，合成高真實感的舌頭動畫可以幫助人們更好地學習各種語言，也有助于聲道發音機制的研究。在人臉動畫中，通過增加舌頭動畫，可以極大地提高人臉動畫的視覺效果。人的舌頭和發音密切相關，通過舌頭內部和外部的肌肉激勵，舌頭可以產生各式各樣的形變。
[0005]為了逼真地模擬舌頭的形變，《可視化和計算機動畫》雜志2001年第12期107-115頁提出了一種基于B樣條曲面的舌頭模型。該模型包含60個控制點，這60個控制點的位移又由6個控制參數進行線性控制，其基本原理是:通過權值矩陣確定每個控制參數對控制點位移的影響，控制點最終的位移通過6個控制參數加權求和得到。該方法需要人工設定權值矩陣，非常耗時，且舌頭形變不自然，形變過程中也無法保證舌頭的體積不變性。此夕卜，還有學者提出了基于有限元的舌頭模型，這種方法是通過肌肉激勵驅動舌頭發生形變。
[0006]基于有限元的舌頭模型主要有以下缺點:一是需要將舌頭網格模型實體化，即在舌頭內部構建稠密的四面體結構，而現有的方法很難自動且準確地完成這一過程；二是有限元模型計算復雜度極大，無法合成實時的動畫；三是在舌頭形變或舌頭協助發音過程中，很難確定是哪些肌肉組合產生了激勵，因而很難合成高真實的舌頭動畫。
[0007]總之，現有的方法在進行可形變物體動畫合成時工作較為復雜，且其真實度也較低。
【發明內容】
[0008]本發明的目的是提供一種可形變物體的高真實感動畫合成方法，簡化了工作過程，且可合成較高真實度的可形變物體的動畫。
[0009]本發明的目的是通過以下技術方案實現的:
[0010]一種可形變物體的高真實感動畫合成方法，該方法包括:
[0011]基于掃描設備重建可形變物體的精確三維網格模型；
[0012]從該三維網格模型中提取若干用于驅動該可形變物體發生形變的網格點作為控制點，并將若干控制點的真實位移作為輸入，獲得形變后的若干控制點的位置；
[0013]根據所述形變后的若干控制點的位置，并將該可形變物體體積不變作為約束條件，通過最小化形變能量函數，計算得到該三維網格模型中其余網格點形變后的位置，從而獲得該可形變物體的高真實感動畫。
[0014]由上述本發明提供的技術方案可以看出，利用掃描設置重建獲得三維網格模型，而不需要對可形變物體模型進行實體化，可極大地簡化了可形變物體動畫合成的預處理過程；同時，通過設置少量控制點來控制可形變物體的整體形變，并通過這些控制點真實的運動數據驅動該可形變物體發生形變，最終合成具有高真實的可形變物體的動畫。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0015]為了更清楚地說明本發明實施例的技術方案，下面將對實施例描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發明的一些實施例，對于本領域的普通技術人員來講，在不付出創造性勞動的前提下，還可以根據這些附圖獲得其他附圖。
[0016]圖1為本發明實施例一提供的一種可形變物體的高真實感動畫合成方法的流程圖；
[0017]圖2為本發明實施例一提供的舌頭的三維網格模型的示意圖；
[0018]圖3為本發明實施例一提供的合成的舌頭動畫的示意圖；
[0019]圖4為本發明實施例一提供的皮球在兩端拉伸時球體形變的動畫過程示意圖。
【具體實施方式】
[0020]下面結合本發明實施例中的附圖，對本發明實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發明一部分實施例，而不是全部的實施例。基于本發明的實施例，本領域普通技術人員在沒有做出創造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本發明的保護范圍。
[0021]實施例一
[0022]圖1為本發明實施例一提供的一種可形變物體的高真實感動畫合成方法的流程圖。如圖1所示,該方法主要包括:
[0023]步驟11、基于掃描設備重建可形變物體的精確三維網格模型。
[0024]本發明實施例中，可形變物體的精確三維網格模型可利用三維軟件并結合可形變物體的尺寸比例來建立精確三維網格模型，也可結合掃描設備來建立。
[0025]示例性的，所述掃描設備可利用醫學核磁共振設備來實現；具體的:
[0026]I)使用核磁共振設備掃描一組所述可形變物體的核磁共振圖像。
[0027]2)提取圖像中所述可形變物體的輪廓，在輪廓線上均勻地選取一定數量的特征點。
[0028]3)對所有特征點進行網格化，從而重建得到該可形變物體的精確三維網格模型。
[0029]示例性的，圖2為利用本步驟重建獲得的舌頭的三維網格模型。
[0030]步驟12、從該三維網格模型中提取若干用于驅動該可形變物體發生形變的網格點作為控制點，并將若干控制點的真實位移作為輸入，獲得形變后控制點的位置。
[0031]本發明實施例中，可以利用電磁關節造影技術(EMA)測量可形變物體中若干控制點的真實位移。
[0032]示例性的，所述控制點的數量通常不少于兩個；若所述可形變物體為舌頭，則控制點可選擇舌尖、舌中、舌背上的三個網格點。
[0033]需要強調的是，對于不同類型的可形變物體其控制點數量也會相應的變化，當然，也可以根據實際情況或者經驗來確定控制點的數量。
[0034]步驟13、根據所述形變后的若干控制點的位置，并將該可形變物體體積不變作為約束條件，通過最小化形變能量函數，計算得到該三維網格模型中其余網格點形變后的位置，從而獲得該可形變物體的高真實感動畫。
[0035]本發明實施例中，由于物體的形變通常具有惰性，即物體總是以最小的形變能量進行形變。假設，該三維網格模型中任一三角面片上的三個網格點的初始位置分別為Pl、P2
與P3,發生形變后的位置設為Λ、P2 1J P3，由于沒有指定法向量，該三角形對應的仿射變換矩陣無法通過三個頂點位移唯一確定；因此，可以在該三角面片中添加一用于指定該三角面片法向量的輔助網格點P4，則有:
[0036]P4 = Pj(P2-P1) X (P3-Pi) / I (P2-P1) X (P3-P1) I I ;
[0037]該三角面片形變時對應的形變矩陣為[Q，d]，其中Q為3X3的變換矩陣，d為3X1的平移向量，形變前后，三角面片的網格點位置滿足如下關系:
[0038]
/^n J- fj — η
χ￡Ρ r t Pr
[0039]其中卜1，2，3，4;
[0040]計算求得形變矩陣Q:Q = PP ι.,
[0041]其中， ，P = [p2-Pl, P3-P1, P4-P1]；
[0042]該可形變物體的形變能量記為:
【權利要求】
1.一種可形變物體的高真實感動畫合成方法，其特征在于，該方法包括: 基于掃描設備重建可形變物體的精確三維網格模型； 從該三維網格模型中提取若干用于驅動該可形變物體發生形變的網格點作為控制點，并將若干控制點的真實位移作為輸入，獲得形變后的若干控制點的位置； 根據所述形變后的若干控制點的位置，并將該可形變物體體積不變作為約束條件，通過最小化形變能量函數，計算得到該三維網格模型中其余網格點形變后的位置，從而獲得該可形變物體的高真實感動畫。
2.根據權利要求1所述的方法，其特征在于，所述基于掃描設備重建可形變物體的精確三維網格模型的步驟包括: 使用核磁共振設備掃描一組所述可形變物體的核磁共振圖像； 提取圖像中所述可形變物體的輪廓，在輪廓線上均勻地選取一定數量的特征點； 對所有特征點進行網格化，從而重建得到該可形變物體的精確三維網格模型。
3.根據權利要求1所述的方法，其特征在于，該方法還包括: 利用電磁關節造影技術EMA測量可形變物體中若干控制點的真實位移。
4.根據權利要 求1所述的方法，其特征在于，所述控制點的數量不少于兩個。
5.根據權利要求1或3或4所述的方法，其特征在于，所述根據所述形變后的若干控制點的位置，并將該可形變物體體積不變作為約束條件，通過最小化形變能量函數，計算得到該三維網格模型中其余網格點形變后的位置，包括: 該三維網格模型中任一三角面片上的三個網格點的初始位置分別為pl、p2與p3，發生形變后的位置設為A、/V1J A，并在該三角面片上添加一用于指定該三角面片法向量的輔助網格點P4，則有:
P4 = P^(P2-P1) X (P3-Pi) / I (P2-Pl) X (P3-P1) I I ； 該三角面片形變時對應的形變矩陣為[Q，d]，其中Q為3X3的變換矩陣，d為3X I的平移向量，形變前后，三角面片的網格點位置滿足如下關系:QPr+^r =Pr
其中 r = 1，2，3，4 ; 計算求得形變矩陣Q:Q = PP '；
其中，P = [p2-P1,P3Iy4-Pl]^ P = [P2-P1,P3-P1,P4-P1]； 該可形變物體的形變能量記為:/f ;其中，Qi為三維網格模型中第i個三角面片所對應的形變矩陣，I為單位矩陣，M為該三維網格模型中三角面片的總數； 該可形變物體形變前后的體積分別為Vtl與V，則有:1 M
V = -^Piy(PaKPiti);
t) /=I 其中，網格點Pu、Pi，2、Pu分為網格模型中第i個三角形的三個網格點； 將該可形變物體體積保持不變作為約束條件，則有=V-Vtl = O ； 若該可形變物體若干控制點的個數為三個，其初始位置分別為Cl、c2與C3，其形變后的位置分別為VpV2與V3，則利用高斯牛頓法求解下述優化問題，從而求得其余網格點形變后的位置:
Subject to V-V0 = 0 ；
其中，N為該三維網格模型中網格點的總數。
6.根據權利要求5所述的方法，其特征在于，所述利用高斯牛頓法求解下述優化問題，從而求得其余網格點形變后的位置包括:1 M
中，并將所述其余網格點形變后的位置作為未知變量，從而將上述優化問題轉化如下矩陣形式:
Subject to g (X) = V-V0 = 0 ； 其中，X為所述其余網格點形變后的位置組成的向量，A為一稀疏矩陣； 結合拉格朗日乘數法及高斯牛頓法求解上述優化問題，具體的: 在每次循環中，求解如下優化問題:
Subject to g(X+h) = 0 ；首先，將g(X+h)線性化，得g(X+h)~g(X)+Jg(X)h，其中，Jg⑴為雅克比矩陣； 然后，使用拉格朗日乘數法求解h ； 最后，更新X:X — X+a.h ；a為一常數，通過一維搜索得到；通常多次循環則收斂，從而求得其余網格點形變后的位置。
【文檔編號】G06T13/20GK104077798SQ201410313358
【公開日】2014年10月1日 申請日期:2014年7月1日 優先權日:2014年7月1日
【發明者】羅常偉, 汪增福, 於俊 申請人:中國科學技術大學